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문제 정의
- 경주차의 과학적 원리를 잘 나타나도록 잘 구분되고 구성된 산업체 설계를 본 따서 경주차 공학을 습득하고 연마하도록 학생들에게 공학 설계 사례가 요구된다. 공학 설계의 예제로 CO2 모형 경주차를 CO2 카트리지에 압축하여 충진 된 CO2 가스가 빠르게 밖으로 분출되면서 추진되는 CO2 모형 경주차 설계를 목표로 한다. 학생들이 팀별로 가장 빠른 경주차를 모델링하고, 발사나무를 가공하여 1/20 축소된 CO2 모형 경주차를 만들어 20m 트랙에서 직선 가속 경주를 하여 자동차의 물리법칙을 이해하는 수업이다[2].
- 모형 경주차의 설계-제작-시험-경주-보고를 기획하고 학생들이 팀별로 참여하도록 운영하였다. 본 논문은 A 대학의 모터스포츠전공의 차량 공기역학 수업의 CO2 모형 경주차 제작 규정, 제작 과정, 성능시험을 제시하고, 경주차의 속도 및 항력을 측정한다. 그리고 학생들의 수업 개선 효과를 파악하기 위하여 설문지를 개발하고, 분석결과를 토대로 공학설계 능력 향상과 수업 만족도를 확인한다.
가설 설정
- 3) 소형 풍동의 전원을 켠다.
- 4) 풍속 조절기를 서서히 작동시켜 원하는 풍속으로 설정한다.
제안 방법
- A 대학 모터스포츠 전공의 2학년 수업에 차량 공기역학 교과목에서 공학 설계의 사례로 “CO2 모형 경주차의 설계-제작-시험-경주-보고를 기획하고 학생들이 팀별로 참여하도록 운영하였다.
- CO2 모형 경주차에서 CO2 가스의 분출하면서 발생한 추력으로 전용트랙을 달리 때 학생들은 어떠한 종류의 힘이 작용하는지 알기 위하여 자유 물체도를 작성하였다. 그림 12는 학생들이 수행한 자유물체도 결과이다.
- 최단시간 내에 완주하는 모형차가 우승자로 결정된다. CO2 모형 경주차의 성능을 알 수 있는 Time trial 경주를 실시한다. 임펄스 장치(Impulse system)는 랩타임을 0.
- 표 8은 설문지 평가 문항은 공학설계 능력과 만족도로 구성된 내용을 보여준다. Likert 5단계 척도를 근거로 학생들이 직접 설문지 문항을 평가하도록 하였으며, 최고 5점에서 최저 1점을 사용하였다.
- 교수는 많은 시간과 노력이 수반되는 어려움이 있음에도 불구하고 설계 노트 준비 및 제공, 공학설계를 수행하기 위해서 필요한 시설, 공구, 준비물 등 상세하게 개발하였다. 공학설계 시행 과정은 학생들이 가장 빠른 CO2 모형 경주차 설계목표로 전공지식을 창의력을 활용하여 규정에 만족하도록 주어진 부품과 재료를 이용하여 가공하고 조립하여 제작하도록 설계노트를 개발하여 제공하였다. 완성된 CO2 모형 경주차의 풍동에서 공기 항력을 측정하여 항력계수를 계산하고 가속 경주를 통하여 성능을 분석하는 경험을 제공하였다.
- 모형 경주차 제작을 실시하였다. 그리고 학생들의 수업 개선 효과를 파악하기 위하여 설문지를 개발하고, 분석결과를 토대로 공학설계 능력 향상과 수업 만족도를 확인 하였다. 이 연구의 구체적인 연구 결과를 통하여 얻는 결론은 다음과 같다.
- 본 논문은 A 대학의 모터스포츠전공의 차량 공기역학 수업의 CO2 모형 경주차 제작 규정, 제작 과정, 성능시험을 제시하고, 경주차의 속도 및 항력을 측정한다. 그리고 학생들의 수업 개선 효과를 파악하기 위하여 설문지를 개발하고, 분석결과를 토대로 공학설계 능력 향상과 수업 만족도를 확인한다.
- 또한 CO2 모형 경주차 전방에 연기 발생장치인 스모크 갈퀴를 설치하여 사각형 모양의 뭉뚝한 재료 상태의 모형 경주차 주위에서 유동의 유선을 살펴보는 실험을 하였다. 사각형 모양의 뭉뚝한 모야의 전방부분에서 정체 하여 위와 아래로 분리된 유선으로 표면에 붙어 층류로 이어지다 후방에서 박리되어 난류로 바뀐다.
- 먼저 공기 속도를 52.5 km/h의 고정하고 두 종류의 형상이 다른 CO2 모형 경주차을 선정하여 풍동에서 공기 저항력을 시험하여 항력계수를 계산 하였다. 첫 번째 형상은 가공하기 이전의 사각형 모양의 뭉뚝한 재료 상태의 모형 경주차이고, 두 번째 형상은 물방울 낙하 형상으로 유선형화한 CO2 모형 경주차 이다.
- 이제 연마지(100, 220-grit)를 사용하여 다듬기 작업이 끝나면 발사 나무의 바디형상은 고운 표면으로 깨끗이 마무리 된다. 바디 형상의 대칭성을 검사한다.
- 본 연구는 A 대학 모터스포츠 전공의 차량 공기역학 수업에 공학설계 프로젝트인 CO2 모형 경주차 제작을 실시하였다. 그리고 학생들의 수업 개선 효과를 파악하기 위하여 설문지를 개발하고, 분석결과를 토대로 공학설계 능력 향상과 수업 만족도를 확인 하였다.
- 설문지 문항은 CO2 모형 경주차 제작에 참여한 학생에게 차량 공기역학의 공학설계에 대한 학습효과에 따른 공학설계 능력 향상, 공학설계 수업의 만족도를 파악하기 위하여 설문지를 개발하였다. 평가 문항은 미국 공학 평가 기관인 ABET 및 한국공학인증원에서 발표한 공학도가 요구되는 능력 중에서 공학설계 수업에 따른 중요하다고 판단되는 공학설계 능력 5개 문항, 공학설계 수업의 만족도 4개 문항 총 9개 문항으로 구성하였다[3,4].
- 공학설계 시행 과정은 학생들이 가장 빠른 CO2 모형 경주차 설계목표로 전공지식을 창의력을 활용하여 규정에 만족하도록 주어진 부품과 재료를 이용하여 가공하고 조립하여 제작하도록 설계노트를 개발하여 제공하였다. 완성된 CO2 모형 경주차의 풍동에서 공기 항력을 측정하여 항력계수를 계산하고 가속 경주를 통하여 성능을 분석하는 경험을 제공하였다. 그리고 학생들은 최종 CO2 모형 경주차 작품을 완성하였다.
- 자료 분석은 학기 초와 학기말에 두 번에 걸쳐 실시된 설문 조사 결과를 활용하였다. 학생들의 공학설계 능력 향상과 수업 만족도 차이를 비교하였다.
- 차량 공기역학에 포함된 공학설계 업무를 규명하고 교과목에 수행되는 CO2 모형 경주차 공학 설계 프로젝트 교육을 하기에 효율적인 수업 전략을 구안하고 효과적인 전체 시행과정을 제시하고 수업도구와 학습 자료의 핵심 내용을 제공하였다. 교수는 많은 시간과 노력이 수반되는 어려움이 있음에도 불구하고 설계 노트 준비 및 제공, 공학설계를 수행하기 위해서 필요한 시설, 공구, 준비물 등 상세하게 개발하였다.
- 모형 경주차 제작에 참여한 학생에게 차량 공기역학의 공학설계에 대한 학습효과에 따른 공학설계 능력 향상, 공학설계 수업의 만족도를 파악하기 위하여 설문지를 개발하였다. 평가 문항은 미국 공학 평가 기관인 ABET 및 한국공학인증원에서 발표한 공학도가 요구되는 능력 중에서 공학설계 수업에 따른 중요하다고 판단되는 공학설계 능력 5개 문항, 공학설계 수업의 만족도 4개 문항 총 9개 문항으로 구성하였다[3,4]. 표 8은 설문지 평가 문항은 공학설계 능력과 만족도로 구성된 내용을 보여준다.
- 풍동이란 특정 물체를 정지한 상태에서 측정 장치에 설치하고 모형 경주차에 바람을 불어 그 물체에 작용하는 공기역학적 특성을 예측할 수 있다. 풍동 시험으로 CO2 모형 경주차의 항력계수(CD)측정을 수행하였다. 풍동의 작동 단면 치수는 폭이 30cm, 높이 30cm으로 작지만 차량의 실물 크기의 1/20 모형 경주차를 시험하기에 충분하고 바람의 속도는 0∼72 km/h 까지 조절이 가능하다.
- 항력계수는 차량의 기하학적 형상에 따라 결정되며 최적의 “눈물방물 낙하” 모양(“유선형화”된 원통)이 항력이 최소화 할 수 있는 형태임을 알 수 있었다. 학생들은 CO2 모형 경주차 형상에항력계수를 낮추는 유선형 모양을 적용하여 작품을 제작하였다. 그리고 풍동 실험에서 CO2 모형 경주차 형상이 사각형 모양을 가진 경우보다 유선형 형태의 모양이 공기역학적 항력이 감소하였다.
- 자료 분석은 학기 초와 학기말에 두 번에 걸쳐 실시된 설문 조사 결과를 활용하였다. 학생들의 공학설계 능력 향상과 수업 만족도 차이를 비교하였다. 수집된 자료는 SPSS version 10.
- 학생들이 제작한 CO2 모형 경주차의 항력 계수를 이해하는지 알아보기 위하여 학생들이 풍동 시험을 스스로 수행해 보게 하였으며 실험방법은 다음과 같다.
대상 데이터
- 설문조사에 참여한 학생은 총 39명이며 모두 자동차 계열의 모터스포츠전공 학생이었다. 공학설계 능력 항목을 묻는 5개 문항에 대하여 학기초 평균점수가 2.
- 5 km/h의 고정하고 두 종류의 형상이 다른 CO2 모형 경주차을 선정하여 풍동에서 공기 저항력을 시험하여 항력계수를 계산 하였다. 첫 번째 형상은 가공하기 이전의 사각형 모양의 뭉뚝한 재료 상태의 모형 경주차이고, 두 번째 형상은 물방울 낙하 형상으로 유선형화한 CO2 모형 경주차 이다. 표 6는 두 종류의 CO2 모형 경주차 형상에 따른 항력계수를 계산하여 관계를 비교하면 다음과 같다.
- 최종 조립 부품으로는 2개 축, 2개 튜브 베어링, 4개 바퀴, 4개 와셔, 2개 아이 스크루가 있다. 축의 길이는 양쪽 바퀴의 조립치수를 포함하여 요구되는 길이로 절단한다.
데이터처리
- 통계량 처리는 평균, 표준편차, t 검증, 유의 수준은 p< 0.05로 하였다.
성능/효과
- 3 점수 차가 이었다. 교수 만족도 설문 항목 중에서 공기역학의 이해, 공학설계 중요성 인식에 대한 학기말 평균 점수가 각각 4.84와 4.78을 보여 상당히 높은 만족도를 보였다. 즉 학생들이 공학설계 프로젝트를 통한 공학 교육의 개선 노력에 상당히 높은 관심도를 보여주었다.
- 학생들은 CO2 모형 경주차 형상에항력계수를 낮추는 유선형 모양을 적용하여 작품을 제작하였다. 그리고 풍동 실험에서 CO2 모형 경주차 형상이 사각형 모양을 가진 경우보다 유선형 형태의 모양이 공기역학적 항력이 감소하였다.
- 학생들의 공학설계 능력 항목 중에서 다른 기본 능력보다 창의력이 더 높은 점수를 받아서 구체적으로 효과가 있음이 확인되었다. 그리고 학생들의 수업에 대한 흥미 유발되어 학기초에 비해 학기말에 대한 만족도 점수의 증가는 바람직한 수업방식으로 인식되었다.
- 동일한 전면 투영 면적과 동일한 속도로 차량이 이동 할 경우에 항력계수는 차량의 형상에 의존하고 높은 항력계수를 갖는 많은 공기 항력을 만든 다는 것을 알 수 있었다. 동시에 CO2 모형 경주차의 형상 설계에서 공기 항력을 감소하기 위하여 좋은 공기역학적 모양이 유선형 형상 모양임을 보여주었다.
- 표 6는 두 종류의 CO2 모형 경주차 형상에 따른 항력계수를 계산하여 관계를 비교하면 다음과 같다. 동일한 전면 투영 면적과 동일한 속도로 차량이 이동 할 경우에 항력계수는 차량의 형상에 의존하고 높은 항력계수를 갖는 많은 공기 항력을 만든 다는 것을 알 수 있었다. 동시에 CO2 모형 경주차의 형상 설계에서 공기 항력을 감소하기 위하여 좋은 공기역학적 모양이 유선형 형상 모양임을 보여주었다.
- 이 결과에서 공학설계 능력 항목 중에서 학생들이 학기말에 창의성 능력에서 가장 높은 점수를 얻었으며 창의력 능력이 높은 성취도를 보였다. 학생들의 차량 공기 역학 수업에 공학설계 프로젝트를 통합한 교수 만족도 항목을 묻는 4문항에 대하여 학기초 평균 점수 3.
- 6 점수 차가 있었다. 학기 초에 비해 학기말에 더 높은 점수를 보여 공학 설계의 수업이 공학설계 능력 향상에 유의미한 차이를 보였다.
- 학생들이 학기초에 비해 학기말에 이르러 공학설계의 능력 향상과 만족도 높게 평가한 것은 공학설계 수업의 실시가 충분한 효과를 보였다는 의미를 알 수 있었다. 학생들의 공학설계 능력 항목 중에서 다른 기본 능력보다 창의력이 더 높은 점수를 받아서 구체적으로 효과가 있음이 확인되었다. 그리고 학생들의 수업에 대한 흥미 유발되어 학기초에 비해 학기말에 대한 만족도 점수의 증가는 바람직한 수업방식으로 인식되었다.
- 공학설계 할용으로 공학도가 갖추어 기본 능력과 만족도에 대하여 설문지를 통하여 확인된 결과에 많은 시사점을 주고 있다. 학생들이 학기초에 비해 학기말에 이르러 공학설계의 능력 향상과 만족도 높게 평가한 것은 공학설계 수업의 실시가 충분한 효과를 보였다는 의미를 알 수 있었다. 학생들의 공학설계 능력 항목 중에서 다른 기본 능력보다 창의력이 더 높은 점수를 받아서 구체적으로 효과가 있음이 확인되었다.
- 모형 경주차 항력계수는 사각형 모양일 때 보다 유선형 모양일 때 최소가 되었다. 항력계수는 차량의 기하학적 형상에 따라 결정되며 최적의 “눈물방물 낙하” 모양(“유선형화”된 원통)이 항력이 최소화 할 수 있는 형태임을 알 수 있었다. 학생들은 CO2 모형 경주차 형상에항력계수를 낮추는 유선형 모양을 적용하여 작품을 제작하였다.
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